CN101610046A - 铝电解槽废热利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝电解槽废热利用方法，其特征在于，通过铝电解槽外壁所设的热电模块在维持铝电解槽正常电解温度的同时将铝电解槽散发的多余的热能转化成电能，所述热电模块通过铝电解槽外壁获取热能，所述热电模块低温端采用风冷或导热介质冷却，由热电模块输出电能。所述的热电模块为多个，以串联、并联或串联及并联相结合的方式相互连接。采用该铝电解槽废热利用方法能降低铝电解过程的能源消耗，提高铝电解能量利用率0.5～5％，且本发明由于引入了铝电解槽热平衡控制系统，在利用热能产生电能的过程中不会影响原有的铝电解生产过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝电解槽废热利用方法。
背景技术
我国电解生产金属铝过程，大多采用预焙阳极铝电解技术，电解温度为950℃左右，铝电解槽的平均电能利用率为48％左右，铝电解槽侧壁温度约300℃，槽底温度约90℃，有一半以上的能量以废热的形式散发到环境中，造成巨大的能源浪费，且对环境造成热污染。由于废热利用对电解槽本身的温度场分布和维持电解生产过程的能量平衡的影响的复杂性，到目前为止还没有在不影响电解槽正常的电解工作过程中，并能有效地运用到生产实践中的，对电解槽废热有效转化为电能的报道。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种铝电解槽废热利用方法，该方法能在维持电解槽正常的电解温度和热平衡的基础上，利用废热产生电能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种铝电解槽废热利用方法，铝电解槽外壁设有热电模块，热电模块的高温端通过铝电解槽外壁获取热能，热电模块低温端接有可控制热能输出的冷却装置，在保持铝电解槽正常的电解温度的情况下，将铝电解槽散发的多余的热能转化成电能。
安装于铝电解槽侧壁的热电模块高温端工作温度为200～500℃，安装于电解槽底部的热电模块低温端工作温度为50～150℃。
热电模块高温端和低温端的工作温差为60～100℃，
通过冷却装置控制热电模块低温端的冷却温度，调节铝电解槽的散热量，从而维持铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，铝电解槽底部的温度为70～110℃。
热电模块发出的电压为
V＝S.(T高-T低)
其中，S为热电模块的Seebeck系数，T高、T低分别为热电模块高温端、低温端的温度。
电解槽通过热电模块散发热量为
Q放＝cm(T高-T低)
其中，c为介质的比热，m为流过的导热介质的质量，从上式可知，调节流过的导热介质的流量，即可调节散出的热量，从而维持电解槽温度在所控制的范围。
所述的热电模块低温端连接的冷却装置采用在金属管内循环通入导热介质进行冷却。所述的导热介质为阻燃绝缘油或水。所述冷却装置的采用方式为：固定在铝电解槽外壁的温度传感器输出温度信号到控制器，控制器通过控制调节阀来调节金属管内导热介质的流量冷却热电模块的低温端，从而维持铝电解槽外壁的温度。
所述的热电模块低温端也可以采用如下冷却装置冷却：热管散热器件设置在所述热电模块的低温端，鼓风管连接鼓风机，鼓风管喷嘴安装在热管散热器件正对位置；由固定在铝电解槽外壁的温度传感器输出的温度信号，控制器通过控制鼓风机的转速调节由喷嘴喷出的冷却空气，从而冷却热电模块低温端来维持铝电解槽的外壁温度。
所述的热电模块为多个，以串联或并联或串联及并联相结合的方式相互连接。
所述的热电模块输出的电能经稳流或稳压处理后，输出到电池或负载。
本发明所具有的有益效果有：
本发明通过对电解槽废热的利用，能降低铝电解过程的能源消耗，能提高铝电解能量利用率0.5～5％，由于电解铝是高耗能过程，因此能降低能源消耗，其意义尤为重大。现有的一些废热利用并没有考虑到铝电解槽的正常工作状态下热平衡的要求，且废热利用过程中，会对电解槽产生复杂的影响，很可能使正常的生产过程无法进行。本发明充分考虑了铝电解槽工作温度，热平衡条件的要求，将热电模块和冷却装置巧妙地结合，引入了铝电解槽热平衡控制系统，有利于电解槽电解温度的控制，尤其是侧部，底部温度的控制，本发明由于引入了铝电解槽热平衡控制系统，在利用热能产生电能的过程不会对原有的铝电解过程产生任何不良影响。
附图说明
图1为本发明的总体结构框图；
图2为热电单元示意图；(1-导热陶瓷，2-导电铜片组成)
图3为热电模块示意图；(3-热电单元)
图4为本发明的实施例的具体结构图(4-热电模块，5-金属管，6-温度传感器，7-铝电解槽)；
图5为本发明的实施例的冷却装置的自动控制示意图；
图6为本发明热电模块风冷装置示意图。(8-热管散热器件，9-鼓风管，10-鼓风机，11-喷嘴)
具体实施方式
以下结合附图对本发明作说明，而不是对本发明的进一步限定。
本发明的总体结构框图如图1所示，本发明通过热电模块将铝电解槽外壁散发的热能转换为电能，具体方法为：热电模块的低温端或冷端连接冷却装置，热电模块高温端(热端)固定在铝电解槽外壁的侧壁和底部获取热能，热电模块将热能转化为电能且其电压引出端通过所述的稳压或稳流装置向电池或负载输出电能。
热电模块的工作原理：每块热电模块(热电材料)如图3所示，由几十至几百个热电单元3组成，热电单元如图2所示，其中上下两端各设有导热陶瓷1以及导电铜片2，每个热电单元由一个p型半导体和一个n型半导体组成，冷端(图2的上端)接低温区，热端(图2的下端)接高温区，冷端p型半导体和n型半导体通过导体连接，热端接外电路，当热端与冷端存在温差时，则热端的p、n半导体外接引线向外输出电能。由于电压较低，需要通过串联提高其输出电压。所使用的热电模块为厦门纳米克热电电子有限公司生产的，型号为TEP1-12656-0.6，或河南安阳市以太科技中心生产的，型号为TECI-03180T125。
我国目前采用的铝电解槽多为预焙阳极铝电解槽，由于电解槽阳极，电解质，阴极等都存在电阻，在电解过程中，大电流通过时产生巨大的热量，采用下部保温，上部抽风散热的方式，维持整个电解槽的热平衡，其正常电解温度为950℃左右，槽底温度为70～110℃，槽侧部为200～400℃，与环境有较大的温差。
应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
热电模块低端温度可调，低温端以两种冷却装置来冷却，维持一定的温度：
(1)采用耐压耐腐蚀的金属管5，管内通入阻燃绝缘油或水等导热介质，导热介质循环使用。
在电解槽外表面与热电模块4的高温端之间固定一温度传感器6，应用自动温度控制装置，通过改变导热介质流量的方式，维持电解槽温度的稳定。如果温度传感器6信号显示电解槽温度升高，则通过自动控制电路控制自动调节阀，增加其阀门开度，增加传热介质的流量，增加热量的散发量，维持电解槽表面温度在一定范围内(即控制铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，控制铝电解槽侧壁的温度为70～110℃)，满足铝电解的正常温度要求。
(2)低温端上安装市场能购得的热管散热器件4，并安装鼓风机10和连接鼓风机的鼓风管9，在每个热管散热器件正对位置安装鼓风管的喷嘴，维持低温端的温度。在电解槽外表面与热电模块的高温端之间固定温度传感器6(在铝电解槽的底部和侧部都设有温度传感器)，应用自动温度控制装置，通过调节鼓风机的转速，调节吹向热电模块冷端的空气流量，从而调节带走的热量，保证铝电解槽热量平衡的基础上把热能转化为电能。
采用的热电模块为40*40*4～60*60*9mm3，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
热电模块串联提高其输出电压到额定要求，并联方式达到所需直流电电流范围。
如果将热电模块的输出电流用于240kA电解槽，则采用1000个热电模块并联，通过现有的铝电解槽稳流装置向电解槽提供稳定直流电。
另一种输出电能方式是：将输出电压经市售交直流逆变电路进行升压或降压，获得稳定的输出电压，储存于Ni-H二次电池或其它二次电池。
实施例1：
针对一台240kA预焙阳极铝电解槽：
槽侧部面积+槽底部面积为2.11*106mm2，每片热电发电模块：40*40*4mm3，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
以平均利用槽底槽侧面积的70％，安装2.11*106*70％/1600＝9.23*102(片)，应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块(热电模块)，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块(热电模块)以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
热电模块低端温度可调，低温端以下列方式冷却，控制铝电解槽的散热量：
采用耐压耐腐蚀的金属管，管内通入阻燃绝缘油或水等导热介质，导热介质循环使用。
热电模块与铝电解槽的安装位置关系如图4所示，热电模块4之间的间距为2cm，以泡沫水泥等绝热材料填充，热电模块的正电端、负电端分别以铜或铝为母线并联连接。分别连接于铝电解槽7稳流装置的正负接电端。热电模块的低温端，与导热管5紧密接触，导热管采用螺丝固定于槽壳。
在电解槽外表面侧部、底部热电模块的间隙处分别安装温度传感器6，应用自动温度控制装置，通过改变导热介质流量的方式，维持电解槽温度的稳定。如果温度传感器信号显示电解槽温度升高，则通过自动控制电路(控制器)控制调节阀，增加其阀门开度，增加金属管内导热介质的流量，增加热量的散发量，维持电解槽表面温度在一定范围内(即控制铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，控制铝电解槽侧壁的温度为70～110℃)，从而满足铝电解的正常温度要求。其自动控制示意图如图5所示。
实施例2：
针对一台240kA预焙阳极铝电解槽：
槽侧部面积+槽底部面积为2.11*106mm2，每片热电发电模块：40*40*4mm3，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
以平均利用槽底槽侧面积的70％，安装2.11*106*70％/1600＝9.23*102(片)，应用高温端工作温度为400℃左右的温差发电模块(热电模块)，采用粘接或螺丝固定于电解槽侧部，高温端工作温度为100℃左右的温差发电模块(热电模块)以同样的方式固定于电解槽底部。热电模块之间的间距为0.5～3cm，以泡沫水泥等绝热材料填充。
参见图6，热电模块低端温度可调，低温端以风冷式冷却装置来冷却，维持一定的温度：低温端上安装市场能购得的热管散热器件8，并安装鼓风机10和连接鼓风机的鼓风管9，在每个热管散热器件8正对位置安装鼓风管9的喷嘴11，通过散热维持低温端的温度。在电解槽外表面与热电模块的高温端之间固定温度传感器6(在底部和侧部均设有温度传感器)，应用自动温度控制装置，通过调节鼓风机10的转速，调节吹向热电模块冷端的空气流量，从而调节带走的热量，保证铝电解槽热量平衡的基础上把热能转化为电能。由温度传感器、热管散热器件、鼓风机、鼓风管和控制器组成自动控制系统，控制铝电解槽的散热量，维持电解槽表面温度在一定范围内(即控制铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，控制铝电解槽侧壁的温度为70～110℃)，从而满足铝电解的正常温度要求。
采用的热电模块为40*40*4～60*60*9mm3，当热端与冷端维持60～100℃的温度差时，热电模块的输出电压为4～6V，电流为3～5A。
热电模块串联提高其输出电压到额定要求，并联方式达到所需直流电电流范围。
如果将热电模块的输出电流用于240kA电解槽，则采用1000个热电模块并联，通过现有的铝电解槽稳流装置向电解槽提供稳定直流电。
另一种输出电能方式是：将输出电压经市售交直流逆变电路进行升压或降压，获得稳定的输出电压，储存于Ni-H二次电池或其它二次电池。
Claims (10)
1、一种铝电解槽废热利用方法，其特征在于，铝电解槽外壁设有热电模块，热电模块的高温端通过铝电解槽外壁获取热能，热电模块低温端接有可控制热能输出的冷却装置，在保持铝电解槽正常的电解温度的情况下，将铝电解槽散发的多余的热能转化成电能。
2、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，铝电解槽侧壁的热电模块高温端工作温度为200～500℃，电解槽底部的热电模块低温端工作温度为50～150℃。
3、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，热电模块高温端和低温端的工作温差为60～100℃。
4、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，通过冷却装置控制热电模块低温端的冷却温度，调节铝电解槽的散热量，从而维持铝电解槽侧壁的温度为200～400℃，铝电解槽底部的温度为70～110℃。
5、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，所述冷却装置采用的是在金属管内循环通入导热介质。
6、如权利要求5所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，所述的导热介质为阻燃绝缘油或水。
7、如权利要求1-6任一项所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，所述的可控制热能输出的冷却装置采用的方式为：通过固定在铝电解槽外壁的温度传感器输出温度信号到控制器，控制器通过控制调节阀来调节金属管内导热介质的流量冷却热电模块低温端，从而维持铝电解槽外壁的温度。
8、如权利要求1-4任一项所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，所述的可控制热能输出的冷却装置采用的方式为：将热管散热器件设置在热电模块低温端，鼓风管连接鼓风机，鼓风管喷嘴安装在热管散热器件正对位置；由固定在铝电解槽外壁的温度传感器输出的温度信号，控制器通过控制鼓风机的转速调节由喷嘴喷出的冷却空气，从而冷却热电模块低温端来维持铝电解槽的外壁温度。
9、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，所述的热电模块为多个，以串联或并联或串联及并联相结合的方式相互连接。
10、如权利要求1所述的铝电解槽废热利用方法，其特征在于，所述的热电模块输出的电能经稳流或稳压处理后输出到电池或负载。
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Assignee: Hunan Wuqiang Property (Group) Co., Ltd. Assignor: Hunan Shengtong Technology Group Co., Ltd. Contract record no.: 2011430000128 Denomination of invention: Method for utilizing waste heat of aluminum electrolyzing cell Granted publication date: 20110420 License type: Exclusive License Open date: 20091223 Record date: 20110809 |
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Address after: Taoyuan County in Hunan province Changde city 415700 disk town Chuangyuan Industrial Park Patentee after: Hunan Shengtong Technology Group Co., Ltd. Address before: 410205 Hunan province Changsha City National High Tech Development Zone, Lu Tin Road No. 2 Patentee before: Hunan Shengtong Technology Group Co., Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110420 Termination date: 20170616 |
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